KR102057568B1 - 지문인식센서가 결합된 디스플레이 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시형태에 따른 센서가 결합된 디스플레이 장치는, 커버층; 상기 커버층 아래에 배치된 디스플레이 패널; 상기 디스플레이 패널 아래에 배치된 광학층; 및 상기 광학층 아래에 배치된 이미지 센서를 구비한다. 광학층은, 복수의 마이크로렌즈를 포함하는 마이크로렌즈 어레이층; 및 상기 마이크로렌즈 어레이층의 아래에 상기 마이크로렌즈로부터 상기 마이크로렌즈의 초점거리만큼 이격되어 배치된 구멍을 구비하는 어퍼처층;을 구비하고, 상기 광학층은 복수의 마이크로렌즈를 포함하는 마이크로렌즈 어레이층; 및 상기 마이크로렌즈 어레이층의 아래에 배치되고, 상기 마이크로렌즈로부터 상기 마이크로렌즈의 초점거리만큼 이격되어 배치된 구멍을 갖는 어퍼처층;을 포함하고, 상기 디스플레이 패널은 상기 커버층 상에 위치한 지문에 의해 반사된 빛 중 일부 또는 전부를 투과시키고, 상기 디스플레이 패널을 투과한 빛 중 적어도 일부는 상기 마이크로렌즈와 상기 구멍을 통해 상기 이미지 센서로 입력된다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 지문으로부터 지문센서까지의 거리를 종래 기술에 비하여 대폭 줄일 수 있다. 또한, 산란광에 의한 지문 이미지 품질의 열화를 감소시킬 수 있다.

Description

지문인식센서가 결합된 디스플레이 장치{Display having integrated fingerprint sensor}
본 발명은 지문인식센서가 결합된 디스플레이 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 디스플레이 장치에 결합된 지문인식센서의 지문인식 성능을 향상시킨 디스플레이 장치에 관한 것이다.
스마트폰이나 결제수단에서 사용자 인증을 위하여 지문이 널리 사용되고 있다. 이를 위하여 스마트폰이나 신용카드 등의 결제수단에 지문인식장치가 실장되는 경우가 많다. 종래에는 지문을 인식하기 위하여 별도의 지문인식장치를 사용하였으나, 최근에는 디스플레이에 지문인식센서를 결합하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.
예를 들면, 미국특허 제8,994,690호, 미국특허 제9,336,428호 등에서는 액정 디스플레이(LCD)에 지문인식을 위한 이미지 센서 또는 용량성(capacitive) 센서층을 부가하여 지문인식을 하도록 구성하고 있다.
그러나, 디스플레이에 지문인식센서를 부가하는 경우에는 지문에 반사되어 오는 빛이 디스플레이층을 뚫고 지문인식센서까지 도달하여야 하므로 지문과 센서 사이의 거리가 상대적으로 멀고, 또한 빛이 지문의 산과 골에서 난반사되어 들어오므로 정확한 지문 이미지를 획득하기 어려운 문제가 있다.
난반사로 인한 문제점을 해결하기 위하여 미국특허공개 제2016/0254312호에서와 같이 이미지 센서의 각 픽셀 위에 종횡비(aspect ratio)가 큰 구멍(aperture)을 형성하기도 하지만, 큰 종횡비를 얻기 위해서는 구멍의 깊이가 200 마이크로미터에 가까운 값을 가져야 하므로 반도체 공정으로 형성하기가 어려운 문제가 있다. 또한, 구멍의 깊이가 깊어서 지문으로부터 지문센서까지의 거리가 필연적으로 길어지게 되어 획득되는 지문 이미지의 밝기가 낮아지는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시형태의 한가지 목적은 지문으로부터 지문센서까지의 거리를 단축시킨 지문인식센서가 결합된 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태의 다른 목적은 지문으로부터 반사되는 빛 중에서 거의 수직으로 입사되는 빛만을 지문센서에 입사시킬 수 있는 지문인식센서가 결합된 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태의 다른 목적은 반도체 공정만으로 형성가능한 지문인식센서가 결합된 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 센서가 결합된 디스플레이 장치는, 커버층; 상기 커버층 아래에 배치된 디스플레이 패널; 상기 디스플레이 패널 아래에 배치된 광학층; 및 상기 광학층 아래에 배치된 이미지 센서를 구비한다. 광학층은, 복수의 마이크로렌즈를 포함하는 마이크로렌즈 어레이층; 및 상기 마이크로렌즈 어레이층의 아래에 상기 마이크로렌즈로부터 상기 마이크로렌즈의 초점거리만큼 이격되어 배치된 구멍을 구비하는 어퍼처층;을 구비한다. 마이크로렌즈 어레이층은 투명 또는 반투명의 기판과, 상기 기판의 상면에 돌출 형성된 복수의 마이크로렌즈를 구비할 수 있다. 기판은 상기 마이크로렌즈로부터 상기 구멍까지의 거리가 초점거리가 되도록 하는 두께를 가지며, 어퍼처층은 기판의 하면에 부착되어 형성된다. 실시예에 따라서는, 마이크로렌즈 어레이층이 기판의 하면에 돌출 형성될 수도 있다. 기판은 마이크로렌즈들 사이에 형성된 광차단벽을 더 포함할 수 있으며, 마이크로렌즈가 형성되지 않은 부위에는 광차단층을 포함할 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 마이크로렌즈 어레이층의 두께를 대략 수 마이크로미터 ~ 수십 마이크로미터로 형성할 수 있으므로, 지문으로부터 지문센서까지의 거리를 종래 기술에 비하여 대폭 줄일 수 있다. 또한, 마이크로렌즈 어레이층을 반도체 공정으로 생성하고 이미지센서에 얹을 수 있으므로 지문인식센서가 결합된 디스플레이 장치를 반도체 공정만으로 형성가능하다. 또한, 지문에서 수직으로 반사되는 광만을 이미지 센서에 입사시킬 수 있으므로, 산란광에 의한 지문 이미지 품질의 열화를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 지문인식센서가 결합된 디스플레이 장치의 개략적인 단면 구성을 보여주는 개념도이다.
도 2는 디스플레이 패널로 경성(rigid) AMOLED가 사용되는 경우의 커버층과 디스플레이 패널의 개략적인 단면 구성을 보여주는 개념도이다.
도 3은 디스플레이 패널로 연성(flexible) AMOLED가 사용되는 경우의 커버층과 디스플레이 패널의 개략적인 단면 구성을 보여주는 개념도이다.
도 4는 디스플레이 패널로 다른 형태의 연성(flexible) AMOLED가 사용되는 경우의 커버층과 디스플레이 패널의 개략적인 단면 구성을 보여주는 개념도이다.
도 5는 이미지 센서의 셀 구조를 보여주는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에서 이미지 센서 위에 광학층이 배치된 모습을 보여주는 단면 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 광학층과 이미지 센서의 배치 관계를 보여주는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 광학층과 이미지 센서의 배치 관계를 보여주는 개념도이다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시형태에 따른 광학층과 이미지 센서의 배치 관계를 보여주는 개념도이다.
도 10은 도 7의 실시형태에서 지문에서 반사된 빛이 포토다이오드 영역으로 입사되는 모습을 보여주는 개념도이다.
도 11은 도 8의 실시형태에서 지문에서 반사된 빛이 포토다이오드 영역으로 입사되는 모습을 보여주는 개념도이다.
도 12는 복수의 마이크로렌즈를 포함하는 마이크로렌즈 어레이층을 형성하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 써멀 리플로우 방식으로 마스터 몰드를 제작하고, 이를 이용하여 마이크로렌즈 어레이층을 제작하는 한가지 실시형태를 보여주는 도면이다.
도 14는 3D 디퓨저 리쏘그라피 방식으로 마스터 몰드를 제작하고, 이를 이용하여 마이크로렌즈 어레이층을 제작하는 한가지 실시형태를 보여주는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 지문인식센서가 결합된 디스플레이 장치에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 지문인식센서가 결합된 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보여주는 단면도이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 디스플레이 장치(1)는, 커버층(100), 커버층(100) 아래에 배치된 디스플레이 패널(200), 디스플레이 패널(200) 아래에 배치된 광학층(300) 및 광학층 아래에 배치된 이미지 센서(400)를 구비한다.
커버층(100)으로는 스마트폰 등에서 일반적으로 사용되는 커버 글래스가 사용될 수 있으며, 강화유리, 플라스틱 등이 사용될 수 있다. 재질과 설계에 따라 다르지만, 일반적으로 대략 550~700 마이크로미터의 두께를 갖는다. 디스플레이 패널(200)로는 AMOLED 패널처럼 빛이 이미지 센서(400)까지 투과될 수 있는 구조를 갖는 디스플레이 패널이면 모두 사용이 가능하며 AMOLED 디스플레이 패널의 경우 일반적으로 350~750 마이크로미터의 두께를 갖는다. 광학층(300)은 복수의 마이크로렌즈를 포함하는 마이크로렌즈 어레이층과 어퍼처층을 구비하여, 손가락으로부터 수직으로 반사된 빛만이 이미지 센서(400)에 전달되도록 한다. 이미지 센서(400)는 바람직하게는 CMOS 이미지 센서를 사용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에서, 이미지 센서(400)는 디스플레이 패널(200)의 일부 영역의 아래에만 배치되며, 나머지 영역에는 광학층(300)이 배치되지 않는다.
도 2는 디스플레이 패널로 경성(rigid) AMOLED가 사용되는 경우의 커버층과 디스플레이 패널의 개략적인 단면 구성을 보여주는 개념도이다. 경성 AMOLED가 사용되는 경우에 디스플레이 패널(200)은, 인캡(Encap) 글래스(213)와 TFT 글래스(215) 사이에 배치된 OLED 디스플레이층(214), 인캡 글래스(213) 위에 배치된 편광층(Polarizer)(212), 편광층(212)을 커버층(100)에 접착시키기 위한 광학용 투명접착필름(OCA, Optical Clear Adhesive)(211)을 구비한다. 광학용 투명접착필름(OCA)(211)는 대략 200 마이크로미터, 편광층(212)은 대략 150 마이크로미터, 인캡 글래스(213)는 대략 200 마이크로미터, TFT 글래스(215)는 대략 200 마이크로미터의 두께를 가지며, OLED 디스플레이층(214)은 이들에 비하여 무시할만한 두께를 갖는다. 따라서, 디스플레이 패널(200)로 경성 AMOLED가 사용되는 경우에는 디스플레이 패널(200)의 두께는 대략 750 마이크로미터가 된다.
도 3은 디스플레이 패널로 연성(flexible) AMOLED가 사용되는 경우의 커버층과 디스플레이 패널의 개략적인 단면 구성을 보여주는 개념도이다. 도 3과 같은 연성 AMOLED가 사용되는 경우에 디스플레이 패널(200)은, PET 필름(226) 위에 형성된 OLED 디스플레이층(225)과, 광학용 투명접착필름(OCA)(224)을 통해 그 위에 접착된 PET 필름(223)과, 편광층(222) 및 이들을 커버층(100)에 접착시키기 위한 광학용 투명접착필름(OCA)(221)을 구비한다. 그리고, PET 필름(223) 위에는 터치센서가 형성될 수 있다. 도시되어 있지는 않지만 OLED 디스플레이층(225)은 각각 대략 8 마이크로미터의 두께를 갖는 인캡(Encap) 필름과 TFT 필름을 구비할 수 있다. 도 3의 구성에서, 광학용 투명접착필름(OCA)(221, 224)는 각각 대략 100 마이크로미터, 편광층(222)은 대략 150 마이크로미터, 상부 PET 필름(223)은 대략 40 마이크로미터, 하부 PET 필름(223)은 대략 100 마이크로미터의 두께를 가지며, OLED 디스플레이층(225)은 이들에 비하여 무시할만한 두께를 갖는다. 따라서, 디스플레이 패널(200)로 도 3과 같은 구성의 연성 AMOLED가 사용되는 경우에는 디스플레이 패널(200)의 두께는 대략 500 마이크로미터가 된다.
도 4는 디스플레이 패널로 다른 형태의 연성(flexible) AMOLED가 사용되는 경우의 커버층과 디스플레이 패널의 개략적인 단면 구성을 보여주는 개념도이다. 도 4와 같은 연성 AMOLED가 사용되는 경우에 디스플레이 패널(200)은, PET 필름(234) 위에 형성된 OLED 디스플레이층(233)과, 편광층(232) 및 이들을 커버층(100)에 접착시키기 위한 광학용 투명접착필름(OCA)(231)을 구비한다. 그리고, OLED 디스플레이층(233) 위에는 터치센서가 형성될 수 있다. 도시되어 있지는 않지만 OLED 디스플레이층(233)은 각각 대략 8 마이크로미터의 두께를 갖는 인캡(Encap) 필름과 TFT 필름을 구비할 수 있다. 도 3의 구성에서, 광학용 투명접착필름(OCA)(231)는 대략 100 마이크로미터, 편광층(232)은 대략 150 마이크로미터, PET 필름(234)은 대략 100 마이크로미터의 두께를 가지며, OLED 디스플레이층(233)은 이들에 비하여 무시할만한 두께를 갖는다. 따라서, 디스플레이 패널(200)로 도 4와 같은 구성의 연성 AMOLED가 사용되는 경우에는 디스플레이 패널(200)의 두께는 대략 350 마이크로미터가 된다.
다음으로 도 5를 참조하여 일반적인 이미지 센서의 셀 구조에 대해서 설명한다. 도 5는 이미지 센서의 셀 구조를 예시적으로 보여주는 모식도이다. 이미지 센서(400)는 2차원 평면 상에 배치된 다수의 셀(cell) 또는 화소를 구비한다. 각 셀은 도 5의 오른쪽에 도시된 것처럼 빛을 감지하기 위한 포토다이오드 영역(410)과, 포토다이오드 영역(410)의 주변에 배치된 회로 및 연결부 영역(430)을 갖는다. 각 셀의 넓이는 이미지 센서(400)의 해상도(화소수)와 이미지 센서 크기에 따라 달라진다. 예를 들어, 이미지 센서(400)의 크기가 10mm x 10mm이고, 화소수가 200 x 200이라면 각 셀은 50 μm x 50 μm의 면적을 갖는다. 이러한 면적의 셀이라면 포토다이오드 영역(410)은 그 중에서 예를 들면 40 μm x 40 μm의 면적을 차지한다.
도 6은 이러한 형태를 갖는 이미지 센서(400) 위에 광학층(300)이 배치된 모습을 보여준다. 광학층(300)은 복수의 마이크로렌즈(311, 311)를 포함하는 마이크로렌즈 어레이층(310)과, 마이크로렌즈 어레이층(310)의 아래에 마이크로렌즈 어레이층(310)로부터 마이크로렌즈(311)의 초점거리만큼 이격되어 배치된 복수의 구멍(321, 321)을 구비하는 어퍼처층(320)을 구비한다. 복수의 마이크로렌즈(311, 311)는 투명 또는 반투명의 기판(312)의 상면에 돌출 형성된다. 어퍼처층(320)은 복수의 구멍(321, 321)을 통해서만 빛을 통과시키는 역할을 한다. 기판(312)은 마이크로렌즈(311)로부터 구멍(321)까지의 거리가 초점거리가 되도록 하는 두께를 갖는다. 어퍼처층(320)은 기판(312)의 하면에 부착되어 형성될 수 있다. 실시예에 따라서는, 어퍼처층(320)과 이미지 센서(400) 사이에 서포터층(미도시)을 형성하여 어퍼처층(320)과 이미지 센서(400) 사이의 거리를 유지하도록 구성할 수 있다.
구멍(321)의 크기는 작을수록 좋지만, 너무 작게 되면 빛의 회절 현상에 의하여 빛 퍼짐 현상이 발생할 수 있다. 이러한 회절현상은 통상 빛의 파장의 2배정도 이하의 크기의 구멍에서 발생하므로, 가시광선의 파장이 대략 0.5um (500nm) 부근이기 때문에 구멍의 지름은 1 마이크로미터 이상이 바람직하다.
도 6에서는 마이크로렌즈(311, 311)가 이미지 센서(400)의 반대쪽으로 돌출되어 있는 형태(즉, 기판(312)의 상면에 돌출 형성된 경우)를 보여주고 있지만, 실시형태에 따라서는 복수의 마이크로렌즈(311, 311)가 이미지 센서(400) 쪽으로 돌출(즉, 기판(312)의 하면에 돌출 형성)되도록 구성하는 것도 가능하다. 이 경우에 어퍼처층(320)은 기판(312)의 하면으로부터 마이크로렌즈(311)의 초점거리만큼 이격된 거리에 배치된다.
도 6에서는 이미지 센서(400)의 포토다이오드 영역(410, 420) 중에서 일부만이 지문인식을 위하여 사용되는 경우를 보여주고 있다. 즉, 이미지 센서(400)의 해상도가 높은 경우에는 포토다이오드 영역(410, 420) 중에서 일부(410)만을 지문 인식에 사용하고 나머지(420)는 사용하지 않도록 구성할 수 있다. 이러한 경우에는 지문인식용 포토다이오드 영역(410)의 위에만 구멍(321)과 마이크로렌즈(311)가 배치되도록 구성한다.
마이크로렌즈 어레이층(310)의 기판(312)의 높이(h)는 마이크로렌즈(311)의 초점거리와 동일하다. 초점거리는 마이크로렌즈(311)의 곡률반경과 굴절율(refractive index)에 의해 결정된다. 한쪽이 평평하고 다른쪽이 돌출된(plano-convex) 구조를 갖는 마이크로렌즈(311)의 초점거리 f는 마이크로렌즈(311)의 곡률반경 r과 굴절율 n으로부터 다음 수학식에 의해 구할 수 있다.
f = r / (n-1)
마이크로렌즈(311)의 지름(d)은 초점거리 f와, 이미지 센서(400)의 포토다이오드 영역(410)의 폭(w)과, 구멍(321)에서 포토다이오드 영역(410)까지의 거리에 의해 결정된다. 또는 마이크로렌즈(311)의 지름(d)이 결정되었다면 초점거리 f와, 포토다이오드 영역(410)의 폭(w)을 고려하여 구멍(321)에서 포토다이오드 영역(410)까지의 거리를 정할 수도 있다. 마이크로렌즈(311)의 재질(즉, 굴절율)과 이미지 센서(400)의 해상도, 픽셀 크기 등에 따라 다르지만, 초점거리는 대략 수 마이크로미터 ~ 수십 마이크로미터로 설정할 수 있으며, 따라서 마이크로렌즈 어레이층의 두께도 대략 수 마이크로미터 ~ 수십 마이크로미터로 형성하면 된다. 따라서, 지문으로부터 지문센서까지의 거리를 종래 기술에 비하여 대폭 줄일 수 있으며, 마이크로렌즈 어레이층을 포함하는 지문인식센서가 결합된 디스플레이 장치를 반도체 공정만으로 형성가능하다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 광학층과 이미지 센서의 배치 관계를 보여주는 개념도이다. 도 7의 실시형태는 마이크로렌즈(311, 311)가 포토다이오드 영역(410, 410)에 일대일로 대응하는 경우를 보여주고 있다. 도 10은 이러한 경우에 지문에서 반사된 빛이 포토다이오드 영역(410, 410)으로 입사되는 모습을 보여주고 있다. 도 10에 도시된 것처럼, 지문에서 반사되어 수직으로 입사되는 광은 마이크로렌즈(311, 311)를 거치면서 마이크로렌즈(311, 311)의 초점으로 모이게 되고, 마이크로렌즈(311, 311)의 초점거리에 위치한 구멍(321, 321)을 통과하여 그 아래의 포토다이오드 영역(410)에 도달하게 된다. 이에 반하여, 지문에서 반사되어 수직이 아닌 각도로 입사되는 광은 점선으로 표시한 것처럼 어퍼처층(320)에 가로막혀서 포토다이오드 영역(410)까지 도달하지 못한다. 따라서, 포토다이오드 영역(410)에는 지문에 반사되어 수직으로 입사되는 빛만이 입사되므로 산란광에 의해 지문 이미지가 불명확해지는 현상을 방지할 수 있다.
실시예에 따라서는 마이크로렌즈를 통과한 빛이 다른 셀로 입사되는 것을 방지하기 위한 광차단벽(313)이 광학층(300)에 마련될 수 있다. 도 8은 이러한 경우의 광학층과 이미지 센서의 배치 관계를 보여주는 개념도이다. 도 11은 이러한 경우에 지문에서 반사된 빛이 포토다이오드 영역(410, 410)으로 입사되는 모습을 보여주고 있다. 도 11에 도시된 것처럼, 지문에서 반사되어 수직으로 입사되는 광은 마이크로렌즈(311, 311)를 거치면서 마이크로렌즈(311, 311)의 초점으로 모이게 되고, 마이크로렌즈(311, 311)의 초점거리에 위치한 구멍(321, 321)을 통과하여 그 아래의 포토다이오드 영역(410)에 도달하게 된다. 이에 반하여, 지문에서 반사되어 수직이 아닌 각도로 입사되는 광은 도 10에서 설명한 것처럼 어퍼처층(320)에 가로막혀서 포토다이오드 영역(410)까지 도달하지 못한다. 또한, 지문에서 난반사되어 수직이 아닌 각도로 입사되는 광 중에서 입사된 마이크로렌즈의 바로 아래에 있는 구멍이 아닌 옆의 구멍(B)으로 향하는 광(A)은 도 11에 도시한 것처럼 광차단벽(313)에 막혀서 구멍(B)을 통과하지 못한다. 따라서, 포토다이오드 영역(410)에는 지문에 반사되어 수직으로 입사되는 빛만이 입사되므로 산란광에 의해 지문 이미지가 불명확해지는 현상을 방지할 수 있다. 한편, 도 8 및 도 11에서는 광차단벽(313)이 기판(312)의 상면에서 하면까지 관통하도록 형성된 실시형태를 보여주고 있지만, 기판(312)의 상면 및/또는 하면으로 노출되지 않도록(즉, 관통하지 않도록) 광차단벽(313)을 형성하는 것도 가능하다.
실시예에 따라서는 마이크로렌즈를 통과한 빛이 다른 셀로 입사되는 것을 방지하기 위한 광차단층(315)이 광학층(300)의 기판(312) 상면의 마이크로렌즈(311, 311)가 형성되지 않은 부위에 마련될 수 있다. 도 9는 이러한 경우의 광학층과 이미지 센서의 배치 관계를 보여주는 개념도이다. 도 9에 도시한 것처럼, 광차단층(315)이 기판(312) 상면의 마이크로렌즈(311, 311)가 형성되지 않은 부위에 마련되어 있으므로, 지문에서 난반사되어 수직이 아닌 각도로 입사되는 광 중에서 광학층(300) 상면의 마이크로렌즈(311, 311)가 형성되지 않은 부위에 도달하는 광은 광차단층(315)에 막혀서 광학층(300)을 통과하지 못한다. 따라서, 산란광에 의해 지문 이미지가 불명확해지는 현상을 감소시킬 수 있다.
한편, 실시예에 따라서는 도 8의 실시형태에 도 9에서와 같이 광차단층(315)을 기판(312) 상면의 마이크로렌즈(311, 311)가 형성되지 않은 부위에 마련하도록 구성하는 것도 가능하다. 이 경우에 광차단벽(313)과 광차단층(315)을 일체로 형성하는 것도 가능하다.
다음으로 도 12 내지 도 14를 참조하여 복수의 마이크로렌즈를 포함하는 마이크로렌즈 어레이층을 형성하는 몇가지 실시예를 설명한다.
마이크로렌즈 어레이층은 일반적으로 도 12에 도시된 것처럼 마스터 몰드(M)를 형성한 후에 마스터 몰드(M)에 액상의 마이크로렌즈 재료를 붓고 경화(curing)하여 마이크로렌즈 어레이층(R)을 형성하고 마스터 몰드(M)로부터 떼어내는 과정을 거쳐서 형성된다. 마이크로렌즈 재료로는 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리디메틸 실록산(PDMS), 자외선 경화성 수지 (UV curable resin) 등이 사용될 수 있다. 경화 방법으로는 가열, 자외선 인가, 건조 등의 다양한 방법이 사용될 수 있다.
마스터 몰드를 형성하는 방법으로는 예를 들면 써멀 리플로우(Thermal Reflow) 방식과 3D 디퓨저 리쏘그라피(3D Diffuser Lithography) 방식이 사용될 수 있다.
도 13은 써멀 리플로우(Thermal Reflow) 방식을 설명하기 위한 도면이다. 기판 위의 마이크로렌즈를 형성할 복수의 부위에 포토레지스트 패턴을 형성하고(a), 포토레지스트 리플로우(photoresist reflow)을 수행하여 기판 상에 볼록렌즈 형태의 복수의 포토레지스트 몰드(PR mold)를 형성한다(b). 여기에 PDMS(폴리디메틸실록산, Polydimethylsiloxane)을 붓고(c), 1차 PDMS 캐스팅을 실시하여 마스터 몰드를 얻는다(d). 이와 같이 마스터 몰드를 제작한 후에는 마스터 몰드에 마이크로렌즈 재료를 붓고(e) 2차 PDMS 캐스팅을 실시함으로써 마이크로렌즈 어레이가 생성된다(f). 하나의 마스터 몰드에 대해서 단계 (e)와 단계 (f)를 복수회 수행하여 복수의 마이크로렌즈 어레이를 생성한다.
실시예에 따라서는 투명 또는 반투명한 재질의 기판에 투명 또는 반투명한 재질의 포토레지스트를 사용하여 도 13의 (a) 단계와 (b) 단계만을 수행함으로써 마이크로렌즈 어레이를 형성하는 것도 가능하다. 이와 같이 투명/반투명 기판 상에 투명/반투명 포토레지스트 패턴을 형성하고 포토레지스트 리플로우를 함으로써 마이크로렌즈 어레이를 형성하는 방법을 사용하면, 제작된 반도체 웨이퍼 위에 직접 마이크로렌즈 어레이를 형성할 수 있다. 예를 들면, 아래에 어퍼처 층이 형성된 기판을 이미지 센서 반도체 웨이퍼 상에 올리고 기판 상에 포토레지스트 패턴을 형성하고 포토레지스트 리플로우를 함으로써 반도체 웨이퍼 위에 직접 마이크로렌즈 어레이를 형성할 수 있다.
도 14는 3D 디퓨저 리쏘그라피(3D Diffuser Lithography) 방식을 설명하기 위한 도면이다. 기판 위에 형성된 포토레지스트(photoresist) 층 위에 형성하고 마이크로렌즈를 형성할 복수의 부위에 개구부가 형성된 포토마스크(photomask)를 얹고, 포토마스크를 향해 디퓨처(diffuser)를 통하여 평행 자외선 광(collimated UV light)을 조사한다(a). 그러면 디퓨저에 의해 산란된 자외선 광이 화살표로 표시한 것처럼 포토레지스트의 노출된 영역에 입사되어 (b)에 표시한 것처럼 기판 위에 포토레지스트 몰드가 형성된 마스터 몰드가 제작된다. 이와 같이 마스터 몰드를 제작한 후에는 마스터 몰드에 마이크로렌즈 재료를 붓고(c) PDMS 캐스팅을 실시함으로써 마이크로렌즈 어레이가 생성된다(d). 하나의 마스터 몰드에 대해서 단계 (c)와 단계 (d)를 복수회 수행하여 복수의 마이크로렌즈 어레이를 생성한다.
한편, 도 13 및 도 14의 실시예에서 마이크로렌즈 어레이층(310)에 광차단벽을 형성하는 방법으로는, 마스터 몰드 상에 광차단벽에 대응되는 메쉬 구조물을 형성하고, 여기에 마이크로렌즈 재료를 부어서 광차단벽에 대응되는 부분이 비어있는 마이크로렌즈 어레이를 형성하고, 이 비어있는 부분에 광차단 재료를 부어넣어서 광차단벽(313)을 형성하는 방법을 사용할 수 있다.
또한, 도 13 및 도 14의 실시예에서 마이크로렌즈 어레이층(310)에 광차단층(315)을 형성하는 방법으로는, 도 13 또는 도 14의 과정을 거쳐서 생성된 마이크로렌즈 어레이의 상면에 마이크로렌즈 부분이 뚫려있는 광차단 필름을 접착, 경화 등의 방법으로 부착시키는 방법을 사용할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 커버층,
200 디스플레이 패널,
300 광학층,
310 마이크로렌즈 어레이층,
311 마이크로렌즈,
312 기판,
320 어퍼처층,
400 이미지 센서,
410 포토 다이오드 영역,
420 더미 포토 다이오드 영역,
430 회로 및 연결부 영역.

Claims (9)

  1. 커버층;
    상기 커버층 아래에 배치된 디스플레이 패널;
    상기 디스플레이 패널 아래에 배치된 광학층; 및
    상기 광학층 아래에 배치된 이미지 센서;
    를 구비하고,
    상기 광학층은, 복수의 마이크로렌즈를 포함하는 마이크로렌즈 어레이층; 및 상기 마이크로렌즈 어레이층의 아래에 배치되고, 상기 마이크로렌즈로부터 상기 마이크로렌즈의 초점거리만큼 이격되어 배치된 구멍을 갖는 어퍼처층;을 포함하고,
    상기 디스플레이 패널은 상기 커버층 상에 위치한 지문에 의해 반사된 빛 중 일부 또는 전부를 투과시키고,
    상기 디스플레이 패널을 투과한 빛 중 적어도 일부는 상기 마이크로렌즈와 상기 구멍을 통해 상기 이미지 센서로 입력되는,
    디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서로 입력되는 빛은, 상기 지문에 의해 반사된 빛 중 상기 커버층의 상면에 수직으로 입사되는 빛인, 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈 어레이층은 투명 또는 반투명의 기판과, 상기 기판의 상면에 돌출 형성된 복수의 마이크로렌즈를 구비하는, 디스플레이 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기판은 상기 마이크로렌즈로부터 상기 구멍까지의 거리가 상기 초점거리가 되도록 하는 두께를 가지며,
    상기 어퍼처층은 상기 기판의 하면에 부착되어 형성되는 것인, 디스플레이 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈 어레이층은 투명 또는 반투명의 기판과, 상기 기판의 하면에 돌출 형성된 복수의 마이크로렌즈를 구비하는, 디스플레이 장치.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 마이크로렌즈들 사이에 형성된 광차단벽을 더 포함하는, 디스플레이 장치.
  7. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 상면의 상기 마이크로렌즈가 형성되지 않은 부위에는 광차단층이 형성되어 있는, 디스플레이 장치.
  8. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍은 지름이 1 마이크로미터 이상인, 디스플레이 장치.
  9. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널은 OLED(유기발광다이오드) 패널인, 디스플레이 장치.
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